HVA ER EN SINGULARITET?

Send

Helt siden forskere første gang oppdaget eksistensen av sorte hull i universet vårt, har vi alle lurt på: hva kan muligens eksistere utenfor det forferdelige tomrommet? I tillegg, siden teorien om generell relativitet ble først foreslått, har forskere blitt tvunget til å lure på, hva kunne ha eksistert før universets fødsel - dvs. før Big Bang?

Interessant nok har disse to spørsmålene blitt løst (etter en mote) med den teoretiske eksistensen av noe kjent som en gravitasjonssangularitet - et punkt i romtid hvor fysikkens lover slik vi kjenner dem bryter sammen. Og mens det fortsatt er utfordringer og uavklarte spørsmål rundt denne teorien, tror mange forskere at under slør av en hendelseshorisont, og i begynnelsen av universet, var det dette som eksisterte.

Definisjon:

I vitenskapelige termer er en gravitasjons-singularitet (eller rom-tid-singularitet) et sted der mengdene som brukes til å måle gravitasjonsfeltet blir uendelige på en måte som ikke er avhengig av koordinatsystemet. Det er med andre ord et punkt der alle fysiske lover ikke kan skilles fra hverandre, der rom og tid ikke lenger er sammenhengende realiteter, men smelter sammen umulig og slutter å ha noen uavhengig betydning.

Teoriens opprinnelse:

Singulariteter ble først predikert som et resultat av Einsteins teori om generell relativitet, som resulterte i den teoretiske eksistensen av sorte hull. I essensen spådde teorien at enhver stjerne som når utover et bestemt punkt i sin masse (også kalt Schwarzschild Radius), ville utøve en gravitasjonskraft så intens at den ville kollapse.

På dette tidspunktet ville ingenting være i stand til å slippe unna overflaten, inkludert lys. Dette skyldes det faktum at gravitasjonskraften ville overskride lysets hastighet i vakuum - 299.792.458 meter per sekund (1.079.252.848,8 km / t; 670.616.629 mph).

Dette fenomenet er kjent som Chandrasekhar Limit, oppkalt etter den indiske astrofysikeren Subrahmanyan Chandrasekhar, som foreslo det i 1930. For tiden antas den aksepterte verdien av denne grensen å være 1,39 solmasser (dvs. 1,39 ganger massen til vår sol), som fungerer til hele 2.765 x 10³⁰ kg (eller 2.765 billioner tonn).

Et annet aspekt ved moderne generell relativitet er at på tidspunktet for Big Bang (dvs. universets opprinnelige tilstand) var det en singularitet. Roger Penrose og Stephen Hawking utviklet begge teorier som forsøkte å svare på hvordan gravitasjon kunne produsere singulariteter, som til slutt slo seg sammen for å være kjent som Penrose – Hawking Singularity Theorems.

I følge Penrose Singularity Theorem, som han foreslo i 1965, vil en tidsliknende singularitet oppstå i et svart hull når materien når visse energiforhold. På dette tidspunktet blir romtidens krumning i det sorte hullet uendelig, og dermed blir den til en fanget overflate der tiden slutter å fungere.

Hawking Singularity Theorem la til dette ved å oppgi at en romlignende singularitet kan oppstå når materie komprimeres til et punkt, noe som får reglene som styrer materie til å bryte sammen. Hawking spore dette tilbake i tid til Big Bang, som han hevdet var et punkt med uendelig tetthet. Imidlertid har Hawking senere revidert dette for å hevde at generell relativitet brytes ned til tider før Big Bang, og derfor kunne det ikke forutses noen singularitet.

Noen nyere forslag antyder også at universet ikke begynte som en singularitet. Disse inkluderer teorier som Loop Quantum Gravity, som prøver å forene lovene i kvantefysikken med tyngdekraften. Denne teorien sier at på grunn av kvante tyngdekraftseffekter er det en minimumsavstand utenfor hvilken tyngdekraften ikke lenger fortsetter å øke, eller at interpenetrerende partikkelbølger maskerer tyngdekraftseffekter som vil bli følt på avstand.

Typer singulariteter:

De to viktigste typene av rom-tid singulariteter er kjent som Curvature Singularities og Conical Singularities. Singulariteter kan også deles etter om de er dekket av en hendelseshorisont eller ikke. Når det gjelder førstnevnte, har du krumningen og den koniske; mens du i det siste har du det som kalles Naked Singularities.

En kurvatur-singularitet eksemplifiseres best av et svart hull. Midt i et svart hull blir rom-tid til et endimensjonalt punkt som inneholder en enorm masse. Som et resultat blir tyngdekraften uendelig og rom-tid kurver uendelig, og fysikkens lover slik vi kjenner dem slutter å fungere.

Koniske singulariteter oppstår når det er et punkt hvor grensen for hver generell samvariasjonsmengde er begrenset. I dette tilfellet ser romtid ut som en kjegle rundt dette punktet, der singulariteten er plassert på spissen av kjeglen. Et eksempel på en slik konisk singularitet er en kosmisk streng, en type hypotetisk endimensjonalt punkt som antas å ha dannet seg under det tidlige universet.

Og som nevnt er det Naked Singularity, en type singularitet som ikke er skjult bak en hendelseshorisont. Disse ble først oppdaget i 1991 av Shapiro og Teukolsky ved bruk av datasimuleringer av et roterende støvplan som indikerte at generell relativitet kan gi rom for "nakne" singulariteter.

I dette tilfellet vil det som faktisk vises i et svart hull (dvs. singulariteten) være synlig. En slik singularitet ville teoretisk være det som eksisterte før Big Bang. Stikkordet her er teoretisk, ettersom det forblir et mysterium hvordan disse objektene ville sett ut.

For øyeblikket forblir singulariteter og hva som faktisk ligger under sløret til et svart hull, et mysterium. Etter hvert som tiden går håper man at astronomer vil kunne studere sorte hull i større detalj. Det er også håpet at forskere i de kommende tiårene vil finne en måte å slå sammen kvantemekanikkens prinsipper med tyngdekraften, og at dette vil kaste ytterligere lys på hvordan denne mystiske styrken opererer.

Vi har mange interessante artikler om gravitasjonelle singulariteter her på Space Magazine. Her er 10 interessante fakta om svarte hull, hvordan ville et svart hull sett ut ?, Var Big Bang bare et svart hull ?, Farvel Big Bang, Hello Black Hole ?, Hvem er Stephen Hawking ?, og hva er på den andre siden av et svart hull?

Hvis du vil ha mer informasjon om singularitet, kan du sjekke ut disse artiklene fra NASA og Physlink.

Astronomy Cast har noen relevante episoder om emnet. Her er episode 6: More Evidence for the Big Bang, og Episode 18: Black Holes Big and Small og Episode 21: Black Hole Questions Answered.

kilder: